一种风驱动轮辐式发电球形机器人的制作方法

本发明涉及一种风驱动轮辐式发电球形机器人，属于极地探测机器人领域。

背景技术：

南极，是世界上最大的铁矿储藏地区。南极大陆上铁矿丰富，有“南极铁山”之称，据调查其可供给世界200年需要的铁矿。此外，煤矿、淡水等资源含量也极其可观，因此对南极的探索就成了大势所向。但是，南极自然条件恶劣，常年大风且温度底下的生态环境一直是对南极的探索时不可忽视的难题。恶劣的自然条件使得人们难以长期居住于南极，故而探测南极时难以做到资源实时补给。因此考虑探测机器人能够自身产生能量，提高续航能力。

传统的探索机器人采用轮式或足式等运动方式，但是在复杂的地面和恶劣气候环境下工作效率低下，且运动容易受限。球形机器人具有无棱角的外形特点，在运动时不存在倾倒的问题，且运动效率高、能量损耗小。封闭的球体结构能够将内部工作元器件和外界环境隔离开来，削弱环境对内部电子器件的损伤。

球形机器人有两种驱动方式：主动驱动和被动驱动。前者依靠机器人自身携带的能源运动，能够实现精准控制，但是耗能较大；后者采用风力等外界力驱动，运动不可控，受环境影响大，但是耗能少。

球形机器人内部装有检测环境和实时定位的传感器，传统的方式是采用自带电源的方式供给机器人用电，但是这样的方式在内部锂电池电能耗尽后无法继续工作，当定位传感器失电后，将难以找到失联的机器人，这不仅是机器人方面的损失，还会对南极环境造成影响。所以机器人能自身产生能量就成为研究方向之一。球形机器人在内部通过结构设计电磁感应发电装置，使得机器人在运动时能够自行发电，这样的设计只要机器人能够运动，就能产生传感器需要的电能。

技术实现要素：

针对球形机器人自发电存在的缺陷，本发明的目的是提出一种风驱动轮辐式发电球形机器人，能够实现在南极常年大风的自然环境下长时间远距离执行探测任务。综合考虑南极地区的地理环境特征，选用被动驱动的方式，利用南极常年大风的特点，采用风力驱动机器人运动，并在内部安装传感器和锂电池等器件。此外，还设计了新颖的轮辐式发电管道布局结构以及相应电磁发电装置，能够使得机器人的风力驱动下运动时产生感应电动势，并存储于锂电池内，锂电池在耗电的同时也在充电，这样能够有效的增加锂电池的续航能力。

为实现以上的目的，本发明采用以下技术方案：

一种风驱动轮辐式发电球形机器人，包括外球壳、辐条发电管道单元、内球壳、内球壳支撑板；所述外球壳为柔性壳体，所述内球壳由两个刚性半球壳拼合而成，其内部装有三块在空间上呈正交分布的内球壳支撑板；所述辐条发电管道单元的一端通过连接件固定在内球壳支撑板的凹槽内，另一端与外球壳接触，两两相邻的辐条发电管道单元间隔45°布置，即每块内球壳支撑板上沿圆周均匀分布八个辐条发电管道单元，在空间上以内球壳为中心辐射出正18面体结构。

所述辐条发电管道单元包括第一永磁体、第二永磁体、第三永磁体、线圈、管道、第一弹簧、第二弹簧、减震脚、传力杆；所述第一永磁体通过第二弹簧设置在管道内部的一端，管道的另一端设有一个封口塞，所述第二永磁体通过第二弹簧连接在封口塞上，设置在管道内部的另一端；第二永磁体的尾端连接传力杆，传力杆的另一端插入到封口塞的圆柱孔内；所述减震脚分为左右两个部分，其中减震脚左侧部分通过螺纹与管道连接，减震脚右侧部分插入到左侧部分内，且能够进行相对运动，减震脚右侧部分通过一根圆柱杆插入封口塞的圆柱孔内进行定位，并且与传力杆存在一定间隙，所述减震脚右侧部分通过第一弹簧连接管道的封口塞；当每个辐条发电管道单元的减震脚通过外球壳与地面接触时能够有效减缓冲击；所述第三永磁体设置于管道内部，线圈设置于管道上，当风力驱动球形机器人滚动时，第三永磁体受重力和第一永磁体、第二永磁体的排斥力作用在管道内做往复运动，穿过线圈切割磁感线产生感应电动势。

所述连接件为空心的圆柱体结构，内外均有螺纹，内螺纹与辐条发电管道单元相连，外螺纹与内球壳支撑板相连。

所述内球壳支撑板的结构是：三块支撑板在空间坐标系中xyz三个面上相互正交拼接，每块支撑板边缘上间隔45°设有开口槽，能够和连接件固接。

本发明与现有技术相比，具有下列突出实质性特点和显著优势：

（1）本发明属于风驱动球形机器人，采用被动驱动的方式，其设计结构主要针对像极地等常年大风区域环境条件，用于这些恶劣环境区域的气候等信息采集，由于机器人内部不提供驱动机器人运动的能量，可大幅度减少机器人的重量并增加机器人的续航能力。

（2）本发明在原有的发电设计上除了采用短管道并增加其数量和优化其空间结构分布外还充分利用震动产生的能量来提升能源利用率和发电效率，使发电管道分布在空间坐标系中任意xyz三个平面方向上具有轮辐式支撑结构且在空间上呈现18面体结构分布，可以充分收集机器人运动任意方向滚动时的能量，并且可减小球形机器人滚动过程中震动的同时还可以通过减震系统将部分振动能量转化为电能进而提升能源利用率。

（3）本发明设计安装简单，减震效果明显，能源利用率高，空间布置合理，其重量主要集中于内球壳中。

附图说明

图1为本发明的整体立体结构示意图。

图2为辐条管道发电单元结构示意图。

图3为辐条发电管道单元连接示意图。

图4为本发明轮辐式发电管道结构平面示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

如图1和图4所示，一种风驱动轮辐式发电球形机器人，包括外球壳1、辐条发电管道单元2、内球壳3、内球壳支撑板4；所述外球壳1为柔性壳体，所述内球壳3由两个刚性半球壳拼合而成，其内部装有三块在空间上呈正交分布的内球壳支撑板4；所述辐条发电管道单元2的一端通过连接件14固定在内球壳支撑板4的凹槽内，另一端与外球壳1接触，两两相邻的辐条发电管道单元2间隔45°布置，即每块内球壳支撑板4上沿圆周均匀分布八个辐条发电管道单元2，在空间上以内球壳3为中心辐射出正18面体结构。

如图2所示，所述辐条发电管道单元2包括第一永磁体5、第二永磁体8、第三永磁体12、线圈7、管道6、第一弹簧9、第二弹簧13、减震脚10、传力杆11；所述第一永磁体5通过第二弹簧13设置在管道6内部的一端，管道6的另一端设有一个封口塞，所述第二永磁体8通过第二弹簧13连接在封口塞上，设置在管道6内部的另一端；第二永磁体8的尾端连接传力杆11，传力杆11的另一端插入到封口塞的圆柱孔内；所述减震脚10分为左右两个部分，其中减震脚10左侧部分通过螺纹与管道6连接，减震脚10右侧部分插入到左侧部分内，且能够进行相对运动，减震脚10右侧部分通过一根圆柱杆插入封口塞的圆柱孔内进行定位，并且与传力杆11存在一定间隙，所述减震脚10右侧部分通过第一弹簧9连接管道6的封口塞；当每个辐条发电管道单元2的减震脚10通过外球壳1与地面接触时能够有效减缓冲击；所述第三永磁体12设置于管道6内部，线圈7设置于管道6上，当风力驱动球形机器人滚动时，第三永磁体12受重力和第一永磁体5、第二永磁体8的排斥力作用在管道6内做往复运动，穿过线圈7切割磁感线产生感应电动势。

如图3所示，所述连接件14为空心的圆柱体结构，内外均有螺纹，内螺纹与辐条发电管道单元2相连，外螺纹与内球壳支撑板4相连。

如图1和图3所示，所述内球壳支撑板4的结构是：三块支撑板在空间坐标系中xyz三个面上相互正交拼接，每块支撑板边缘上间隔45°设有开口槽，能够和连接件14固接。

本发明的工作过程和原理如下：

球形机器人被投放到南极后，在风力驱动下滚动，滚动过程中，由减震脚10提供支撑和减震作用；与此同时，减震脚10连接的圆柱杆会碰撞到传力杆11进而增强第二永磁体8与第二弹簧13的往复运动，从而提高第三永磁体12切割磁感线的频率来提高发电效率。另一方面，第三永磁体12在重力作用下往复穿过线圈7做切割磁感线的运动进而产生电能为球形机器人的控制系统提供充足的电能。